피로 해석에 주파수 영역을 사용하는 이유

안녕하세요.
다름을 디자인하다, 알테어입니다.

CAEfatigue Limited 의 경우 피로 해석을 수행할 때 주파수 영역을 사용해야 하는 이유를 묻는 경우가 많습니다.

그 이유를 간단히 설명해 드리겠습니다!

자동차 분야에서의 예를 들면, 주행 성능 시험장에서 이루어진 테스트 결과에서 RLD(Road Load Data)를 사용하여 수행할 수 있는 데미지 계산을 살펴보겠습니다. 차량 주행 테스트를 진행하는데 있어 이에 익숙하지 않은 사람들의 작업 흐름은 상당히 직관적입니다.

시험 차량에는 다양한 위치에 가속도계가 장착되어 있습니다. 대부분의 경우 각각의 가속도계는 X, Y 및 Z 방향으로 데이터를 측정합니다. 따라서 가속도를 3축 방향으로 측정하는 차량에 가속도계 4개가 장착되어 있으면, 일정 주기의 계획된 경로를 통해 차량을 주행하면서 12개의 채널(RLD 시간 이력)로 정보가 수집됩니다.

일단 계측이 완료되면 모든 채널 정보가 단일 형태의 EVENT로 결합됩니다. 대부분의 경우 주행 성능 시험에서는 각기 다른 속도 및 테스트 시간 조건하에 계측된 이러한 종류의 다양한 데이터를 수집합니다.

시간 영역에서 데미지를 계산하려면, 수집된 Road Load Data를 FEA모델에 적용, 솔버를 통해 각각의 EVENT들에 대해 응력을 산출하고, 총 데미지를 계산하기 위해 다수의 EVENT들로부터 데미지를 합산합니다. 이것은 시간 소비량이 매우 많고, 상당한 solver사용량과 저장 메모리가 필요합니다.

주파수 영역을 사용하여 데미지를 계산하려면, 단일의 응력 해석을 실행하고 수집된 Road Load Data와 데미지 결과 사이의 multiplier로서 주파수 응답 결과를 사용합니다. 하지만, 그 전에 선행되어야 할 단계로 Road Load Data의 시간 이력을 주파수 기반의 파워 스펙트럼 밀도(PSD’s)로 변환할 필요가 있습니다. 이때 CAEfatigue VIBRATION (CFV)안에서 TIME2PSD라고 불리는 수동 변환 도구를 사용하거나 CAEfatigue CONDITIONING(CFC)이라는 자동 변환 도구를 사용할 수 있습니다.

위의 이미지는 응력 솔버로 OptiStruct 사용했을 경우에 시간 영역과 주파수 영역의 피로 해석 접근에서의 차이점을 보여주고 있습니다. 언급했듯이, 주요 차이점은 피로 해석에 수많은 주행 EVENT별 데이터가 포함될 때 시간 영역에서 필요한 OptiStruct Modal Transient 해석 실행 수입니다.

이는 단 한번의 주파수 응답 해석이 적용되는 주파수 영역의 케이스는 아닙니다. 이 차이는 주파수 영역으로의 접근법을 통해 도출된 좀 더 향상된 결과 변수들의 이점으로 인해 상당한 시간 절약을 할 수 있습니다.

CAEfatigue Limited는 수많은 회사와 그들의 필요와 직접적으로 연관된 모델을 대상으로 시간 영역 프로세스 대비 주파수 영역 프로세스 방법을 벤치마킹하기 위해 협력하고 있습니다. 모든 경우에 있어, 우리는 두 프로세스 사이의 상관 관계를 증명할 수 있었고 왜 주파수 영역으로 전환하여 사용해야 하는지 보여줄 수 있었습니다.

감사합니다.